Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa

Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa
TEMA 6. SEPARACIÓN POR MEMBRANAS. ÓSMOSIS INVERSA 1. Introducción 2. Ósmosis y ósmosis inversa 3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa 4. Membranas de ósmosis inversa 5. Aplicaciones de la ósmosis inversa 5.1 Agua potable 5.2 Agua para procesos industriales 5.3 Tratamiento de efluentes Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Introducción Diferencias entre los procesos de separación con membranas y los clásicos: 1. No se fundamentan en el equilibrio termodinámico entre fases, sino en fenómenos cinéticos. 2. Existe un medio ajeno al sistema (membrana) que actúa como barrera de separación entre la corriente alimento y la corriente producto. VENTAJAS Coste inferior - Mayor selectividad y menor cantidad de subproductos no deseables, ya que no se requieren aditivos - En general, los procesos son más sencillos - Las separaciones pueden realizarse de forma continua - Los requerimientos energéticos suelen ser inferiores, ya que, en la mayoría de los casos, no se producen cambios de fase - Pueden combinarse fácilmente con otros procesos de separación - Las características de las membranas pueden diseñarse prácticamente para cada caso particular Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Introducción INCONVENIENTES Problemas de saturación de las membranas
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa Introducción INCONVENIENTES Problemas de saturación de las membranas Vida útil corta Clasificación de las operaciones de separación con membranas en función de la fuerza impulsora Fuerza impulsora Procesos Presión Microfiltración Ultrafiltración Nanofiltración Ósmosis inversa Presión parcial Separación de gases Permeación Concentración Diálisis Potencial eléctrico Electrodiálisis Electrolisis con membranas Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Introducción Operaciones de separación por membranas basadas en la presión Microfiltración (partículas de 10 a 0,05 µm, 0,5 a 3 bares). Es la operación más parecida a la filtración convencional. Se utiliza para retener sólidos en suspensión y como una etapa de clarificación, limpieza o concentración. Ultrafiltración (partículas de 0,1 a 0,001 µm, 1 a 10 bares). Se retienen moléculas relativamente grandes, como proteínas y partículas como coloides y emulsiones. Las moléculas pequeñas pasan libremente. Nanofiltración (partículas de 0,005 a 0,0005 µm, 5 a 30 bares). Se emplea para la retención de moléculas orgánicas de bajo peso molecular e iones multivalentes, como el calcio. Frente a la ósmosis inversa, la presión aplicada es pequeña, mientras que los flujos son altos. Ósmosis inversa (partículas <0,0005 µm, 10 a 50 bares). Permite la retención de moléculas de pequeño peso molecular, como las sales. Las principales aplicaciones se encuentran en la desalinización del agua del mar, en la producción de agua ultrapura, la concentración de zumos, azúcar y leche y en el tratamiento de aguas residuales. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

2. Ósmosis y ósmosis inversa C2 > C1 Figura 6.1 Difusión sin barreras Figura 6.2 Difusión a través de una membrana Figura 6.3 Ósmosis Figura 6.4 Ósmosis inversa Disolución Presión osmótica Sacarosa, 20 % ~ 15 atm Agua de mar ~ 25 atm Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

2. Ósmosis y ósmosis inversa Proceso industrial de ósmosis inversa Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa Aportación Permeado Rechazo Coeficiente de permeabilidad: A Porcentaje de recuperación o factor de conversión: Y Porcentaje de rechazo de sales: R Porcentaje de paso de sales: Ps Factor de concentración: Fc Balances de materia en una unidad de ósmosis inversa BM (total): Qa=Qp+Qr BM (sales): Qa·Ca=Qp·Cp+Qr·Cr Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa La presión osmótica puede estimarse mediante la ecuación de van’t Hoff π = j · R · T · ΔC π : presión osmótica, Pa j : coeficiente adimensional de presión osmótica R : cte de los gases, 8,316 J/(K·mol) T : temperatura, K ΔC : diferencia de concentraciones entre los dos compartimentos, mol/m3 Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa Flujo de disolvente Jv=Av·(ΔP-Δπ) Jv : flujo volumétrico de disolvente, m3/(m2·s) Av : permeabilidad volumétrica o coeficiente de permeabilidad de la membrana, m3/(m2·s·Pa) ΔP : diferencia de presiones a ambos lados de la membrana, Pa Δπ : diferencia de presiones osmóticas a ambos lados de la membrana, Pa Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

3. Definiciones y ecuaciones básicas en ósmosis inversa Flujo de soluto Js = Jv· Cp = B(Cm-Cp) + M ·Jv· Cm Js : flujo de soluto a través de la membrana, kg/(m2·s) Jv : flujo volumétrico de disolvente, m3/(m2·s) Cp : concentración de soluto en el permeado, kg/m3 B : Coeficiente de permeabilidad de la membrana al soluto, m3/(m2·s) Cm : concentración de soluto en la superficie de la membrana, kg/m3 M: Coeficiente de acoplamiento (adimensional); tiene un valor próximo a 0,005 para la mayoría de las membranas Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Clasificación de las membranas de ósmosis inversa
Tema 6. Procesos de separación con membranas. Ósmosis inversa 4. Membranas de ósmosis inversa Clasificación de las membranas de ósmosis inversa Parámetro Tipos Estructura Asimétricas Simétricas Naturaleza Integrales Compuestas de capa fina Forma Planas Tubulares Fibra hueca Composición química Orgánicas Inorgánicas Morfología de la superficie Lisas Rugosas Presión de trabajo Muy baja Baja Media Alta Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Membranas de ósmosis inversa (cont.) Estructura Sección transversal de una membrana asimétrica Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Membranas de ósmosis inversa (cont.) Presión de trabajo Presión bar Salinidad ppm Aplicaciones Muy baja 5-10 Agua ultrapura Baja 10-20 Eliminación de nitratos y sustancias orgánicas Media 20-40 Procesos de separación y concentración Alta 50-80 >10000 Desalación de agua del mar Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Membranas de ósmosis inversa (cont.) Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Membranas de ósmosis inversa (cont.) Efectos producidos por la polarización de la membrana Reduce el flujo de disolvente y, por tanto, el caudal de permeado. Aumenta el flujo de soluto a través de la membrana y, por tanto, la concentración del permeado. Aumenta el riesgo de precipitación de sales sobre la superficie de la membrana. Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

5. Aplicaciones de la ósmosis inversa Técnica de separación Agua potable Desalación Reducción de la dureza: Ca2+ y Mg2+ Agua para procesos industriales Técnica de concentración Tratamiento de efluentes Concentración de la contaminación en un volumen reducido Recuperación de productos de alto valor Recirculación del agua Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

5. Aplicaciones de la ósmosis inversa Proceso de tratamiento de los baños de pintura Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

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